【豆丁-免费】-盆式橡胶支座结构及混凝土墩台非线性有限元分析

1、铁 道 建 筑 Railway EngineeringSeptember , 2010文章编号 :1003-1995(2010 09-0028-03盆式橡胶支座结构及混凝土墩台非线性有限元分析刘岳兵 1, 王少华 1, 黄梅 2, 王宏谋3(1. 西南交通大学 机械工程研究所 , 成都 610031; 2. 西南交通大学 摩擦学研究所 , 成都610031;3. 北京起重运输机械设计研究院 , 北京100007摘要 :利用平面轴对称模型替代传统的三维实体模型 , 对盆式橡胶支座进行了较全面的非线性接触有限 元分析 , 并将不同支承形式下的数据进行了对比 。 研究了弹性支承时混凝土墩台的受力情况

2、 , 并较系统 地探讨了支座和混凝土墩台之间的关系 , 提出了工程应用中增大支座结构安全度的方法 。 关键词 :盆式橡胶支座混凝土墩台 非线性 接触分析中图分类号 :U443. 36+1文献标识码 :A 收稿日期 :2010-03-11; 修回日期 :2010-05-12作者简介 :刘岳兵 (1985 , 男 , 湖南岳阳人 , 硕士研究生 。桥梁支座是桥梁结构的一 个重要组成部分 , 是连 接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件 。 它能将 桥梁上部结 构 的 反 力 和 变 形 (位 移 和 转 角 可 靠 地 传 递给桥梁下部结构 ,其力 学 性 能 及 可 靠性对桥梁的正 常承载和 安

3、 全 性 有 重 要 的 影 响1。 通 过 系 统 地 试 验来研究大吨位支座的各项性能 , 目前尚有一定的困难 。 为 了 更 好 地 探 索 盆 式 橡 胶 支 座 的 结 构 及 性 能 , 利 用 ANSYS 软件模拟实际情况 , 进行恰当的简化计算是很 有意义的 。 通常为了简化计算 , 一般将支座钢盆 、 橡胶 及支承混凝土视为一个组合体 系来 分析 。 但是 , 实际 工程中 , 橡胶和钢盆之间 以 及 钢 盆 和 支承混凝土之间 是相互接触的 , 属于 非 线性行 为 。 为 了更恰当地对支 座承载的情况进行分析 , 在此采用非线性接触分析进 行计算 。 通过计算 ,一方 面

4、 对 支 座 的 情况进行了较系 统的分析 , 同时也对混凝 土墩 台 的 受 力情况做了一系 列的研究 , 这对以后盆式 橡胶 支 座 的 理论研究和试验 以及其在桥梁工程中的应用有重要的参考价值 。1支座结构介绍盆式橡胶支座构造如图 1所示 。2有限元模型的建立2-3取支座的轴向 1/2截面为对象 , 采用平面轴 对 称 模型进行有限元建模和计算 。 模型具体的相关参数如 表 1中所示 。 其中支座承载形 式为中心受压 , 载荷大 小为 25MPa ,橡胶面与钢盆以及钢盆底面与墩台之间 均采用接触单元连接 , 摩擦系数分别取为 0. 7和 0. 2。1-下支座板 ; 2-承 压橡胶板 ;

5、3-黄铜紧固圈 ; 4-密封圈 ; 5-中间钢 衬 板组件 ; 6-上支座板 ; 7-不锈钢滑板 ; 8-密封圈 ; 9-聚四氟乙烯板 。图 1盆式橡胶支座构造示意建立支座有限元模型如图 2所示 。表 1支座模型相关参数 研究对象 钢盆 承压橡胶板混凝土墩台弹性模量 /GPa 205430泊松比 0. 30. 4990. 2直径 /mm 5204001200厚度 /mm90501000图 2弹性支承下支座的有限元模型822010年第 9期 盆式橡胶支座结构及混凝土墩台非线性有限元分析3有限元计算结果分析 3. 1支座位移情况分析弹性支承下当支座在承受 垂直载荷作用时 , 由于混凝土的弹 性 压

6、 缩 ,使 支 座 发 生 了 锅 底 状 变 形 。 图 3中的承压橡胶板在靠近中心部 位的变形较大 , 而在其 边缘与钢盆接触的地方变形较 小 , 这 是由于钢盆与橡 胶板之间的约束引起的 , 与实际情况相符合。 图 3弹性支承下支座的复合位移云图3. 2支座应力情况分析从图 4中可以看出 ,支座承压时在盆底产生较高 的局部应力 , 该值大于相应吨位下的盆环应力 , 这与试 验情况相一致 。 试验表明 ,支座承压时最大应力出现 在盆底 , 但是由于盆底处于三向应力状态 , 虽有较大的 应力和变形 , 但仍未发生破坏 1。表 2不同支承情况下支座几项重要数据研究对象刚性支承弹性支承时支座和墩

7、台间取不同摩擦系数时的情况0. 10. 20. 30. 4支座最大位移值 /mm 0. 5521. 3491. 3391. 3331. 329承压橡胶板最大位移值 /mm 0. 5521. 3491. 3391. 3331. 329支座最大 Von Mises 应力 /MPa 24. 10469. 51567. 01963. 21660. 440盆底最大 Von Mises 应力 /MPa 24. 10469. 51567. 01963. 21660. 440盆环最大 Von Mises 应力 /MPa 20. 97021. 77718. 98917. 62116. 878墩台最大 Von M

8、ises 应力 /MPa 22. 62822. 10721. 80021. 623混凝土墩台最大主拉应力 /MPa3. 4933. 2052. 9762. 7773. 3两种支承下支座几项重要数据对比分析 分析表 2可知 , 支座 的 最 大 位 移 值就等于钢盆中承压橡胶板的最大位移值 , 这主要是与橡胶板的泊松 比接近 0. 5,在 钢 盆 中 处 于 三 向 应 力 状 态 下 几 乎 是 不 可压缩的情况相关 。 同时 , 支座的最大等效应力值与 盆底的最大等效应力值相等 , 说明支 座在中心受压时 最大应力发生在盆底 , 这与试验情况相符 。 另外 , 对比 两种不同类型的支承形式可

9、以 发现 ,刚性支承时盆环 图 4弹性支承下支座的等效应力云图上的最大等效应力与盆 底的最大等效应力相差不大 , 但是弹性支承时盆环上的最大等效应力相比盆底的最 大等效应力来说显得小许多 ,比刚性支承时盆环上的 最大等效应力也要小 。 这主要是由于支承混凝土的弹 性压缩使支座发生锅底状变形 , 导致盆环受压产生预 压应力抵消了部分盆环拉应力所引起的 , 对盆环的受力是有利的4。另外 , 由表 2也可以看出 , 在垂直载荷作用下 , 当 支座和混凝土墩台之间取不同的摩擦系数时 , 支座各 部分的应力值也是变化的 。 随着摩擦系数的增大 , 各 部分的应力值随之减小 。 由此可知 , 在实际工程应

10、用 当中为了增加结构的安全度 ,在允许的范围内应该尽 可能地增大支座盆底和墩台之间的摩擦 。 3. 4弹性支承时混凝土墩台的受力情况研究由图 3和图 4可以看出 ,混凝土墩台在顶面中心 部位的位移最大 , 复合应 力 也 最大 。 考虑到混凝土在 实际工程中的抗压性能强于其抗拉性能5, 在 此主要对混凝土墩 台 的 受 拉 情 况 做 了 一 些 研 究 。 由 图 5可 知 , 混凝土的最大主拉应 力 (即 ANSYS 中的最大第一 主应力 发生在盆环与盆底相接部位对应处的墩台顶 面附近 ,墩台顶面的主拉应力分布如图 7所 示 。 因此 在设计桥墩支承垫石时应在顶面设置足够数量的网状92铁

11、道 建 筑 September , 2010 钢筋 , 以避免垫石混凝土开裂 。 研究发现 , 支座钢盆底 板厚度不同时 , 所得到的混 凝 土 墩 台 顶面的最大主拉 应力也是不同的 。 其趋势是随 着底板厚度的增加 , 最 大主拉应力不断减小 , 如图 6中的 系 列 1所示 。 由图 5还可以看出 , 在 混 凝 土 中 心 竖 直 截 面 上 也 存 在 一 定 的拉应力 。 该拉应力主要分布在支承顶面以下约等于 钢盆直径的高度范围内 , 具体情况如图 8所示 , 且该处 最大主拉应力也是随着钢盆底板厚 度的增大而减小 , 如图 6中的系列 2所示。 图 7混凝土顶面主拉应力分布另外

12、, 盆底和墩台之间的摩擦系数不同时 , 混凝土 墩台的受力状况也 不一样 。 由表 2可知 , 该处的摩擦 系数越大 , 混凝土墩台的 最大 等 效 应 力和最大主拉应 力就越小 。 因此 , 适当的 增 大 盆 底 和 墩台之间的摩擦 对墩台的受力状况是有利的。图 5混凝土墩台第一主应力云图图 6不同底板厚度下墩台最大主拉应力变化图 8混凝土中心竖直截面主拉应力分布4结论1 将材料 非 线 性 和 接 触 有 限 元 分 析 模 型 应 用 到盆式橡胶支座的分析计算中 , 得到了较满意的结果 。2 利用平 面 轴 对 称 模 型 来 替 代 传 统 的 三 维 实 体 模型进行求解 ,计算更

13、加方便快捷 , 结果更加可靠 。 3 当支座放在弹性支承上 (如混凝土 时 , 盆环上 所受的拉应 力 较 支 座 放 在 刚 性 支 承 (如 刚 垫 板 上 时 要小 。 这主要是由于支承混凝土的弹性压缩 , 使支座 发生锅底状变形 , 导致盆 环部分受压抵消了部分盆环 拉应力引起的 。4 混凝土 墩 台 顶 面 的 最 大 主 拉 应 力 发 生 在 盆 环 与底板相接部位外侧附近 , 并且随着钢盆底板厚度的 增加 ,该处最大主拉应力不断减小 。 另外 , 混凝土中心 竖直截面上的最大主拉应力出现在支承顶面以下约等 于钢盆直径的高度范围内 , 该值也随着钢盆底板厚度 的增加而不断减小 。 但两者的变化幅度均不大 , 不超 过 5%。5 在垂直载荷作用下 , 盆底和墩台之间的摩擦系 数越大 , 支座各部分以及混凝土墩台的应力就相对越 小 。 因此 , 在实际工程应用中为了增大结构的安全裕 度 , 应该适当地加大该接触面之间的摩擦 。参考文献1庄军生 . 桥梁支座 M . 北京 :中国铁道出版社 , 2000. 2王宏谋 . 桥梁盆式橡胶支座的研究与应用 D . 成都 :西南 交通大学机械工程学院 ,2008. 3何涛 , 杨竞 . 非 线 性 有 限 元 分 析 实 例 指 导 教 程 M . 北 京